Розанов Ю.К. Основы силовой электроники (1992) (1096750), страница 32
Текст из файла (страница 32)
3.26, г). В связи с этим для данного способа регулирования остаются справедливыми соотношения (3.66) и (3.67). Регулирование выходного напряжения посредством ШИМ применяется и в инверторах, выполненных на транзисторах или запираемых тиристорах. Однако реализация этого способа возможна и в схемах на обычных тиристорах, в которых принцип коммутации позволяет выключить любой из основных тирисгоров в нужный момент времени.
Примером может служить схема с импульсной коммутацией, приведенная на рис. 3.18. В этой схеме при ШИМ управляющие импульсы основных тиристоров одного плеча следуют со сдвигом на угол се относительно управляющих импульсов основных тиристоров другого плеча. Применение ШИМ в трехфазных инверторах напряжения имеет особенности, связанные со схемой соединения нагрузки (звезда или треугольник) и способом управления ключевыми элементами схемы, определяющим длительность их проводя- 160 щего состояния. При этом электромагнитные процессы, протекающие в схеме, имеют значительно более сложный характер, чем в однофазной схеме, и находятся в сильной зависимости от параметров нагрузки.
Если индуктивная составляющая нагрузки достаточно велика (низкий коэффициент мощности), то регулирование посредством ШИМ становится затруднительно. 3.4.4. ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ СЛОЖЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ При двух или более инверторах регулирование напряжения на нагрузке можно осуществить методом суммирования выходных напряжений отдельных инверторов. Такой метод применим к инверторам различных типов. Однако тип инвертора определяет особенности реализации метода в каждом конкретном случае.
Поэтому рассмотрим этот метод применительно к инверторам напряжения и тока. На рис. 3.27,а изображены инверторы и, и Их, выходные трансформаторы которых по вторичным обмоткам соединены последовательно. Предположим, что инверторы выполнены по схеме однофазных инверторов напряжения без выходных пи з сг» ~Я~ а) "я з .1г г) Рнс. 3.27. Геометрическое суммирование выходных напряжений инверторов: а — блок. схема; б — диаграммы напряжений для двух однофазных инверторов напряженая; е н г — векторные диаграммы первых гармоник напряжения и тока нагрузки инверторов 11 Уй 3658 16! фильтров (наличие фильтров не накладывает принципиальных ограничений на этот метод).
Тогда выходное напряжение каждого из них имеет прямоугольную форму (рис. 3.27, б), Очевидно, что при таком включении инверторов напряжение на нагрузке и„будет равно сумме напряжений инверторов и'„и и'„'. Если эти напряжения имеют одинаковую частоту (т. е. инверторы синхронизированы по частоте), но сдвинуты по фазе относительно друг друга на угол 1р„ то напряжение на нагрузке и„ будет иметь ту же частоту, но отличаться по форме и значению. На тех участках, когда мгновенные значения напряжений и'„ и и'„ противоположны по знаку, например на интервале 0 — Эп сумма их равна нулю и напряжение и„тоже равно нулю; когда же зти напряжения совпадают по знаку„например на интервале О, — л, они складываются. В результате напряжение на нагрузке приобретает форму, подобную той, которая получается в инверторах напряжения, регулируемых по способу ШИМ, Изменением угла <р можно регулировать выходное напряжение от нуля (1р„=л) до 2У„(~р„=О).
Для первых гармоник выходных напряжений инверторов можно составить векторную диаграмму (рис. 3.27, в), из которой видно, что вектор напряжения (1„, равен геометрической сумме векторов напряжений (7'„, и У,",. Рассмотрим распределение нагрузки между инверторами, учитывая только первые гармоники выходных напряжений (индекс 1, обозначающий первую гармонику, далее опускается).
Полученные выводы будут справедливы и для других типов инверторов, имеющих выходное напряжение, близкое к синусоидальному, в частности для инверторов тока. Если напряжения У'„ и У'„' равны и сдвинуты между собой по фазе на угол грр, то напряжение на нагрузке (1„, равное их геометрической сумме, будет сдвинуто на один и тот же угол 1р 1'2 относительно векторов ~/'„и (1'„'. Из векторной диаграммы на рис. 3.27, г следует, что 11„=2(1'„сов — '= 2(1'„'соз — '. (3.69) Баланс мощностей в рассматриваемой системе зависит не только от изменения нагрузки, но и от угла ~р,.
Проследим влияние угла 1р, на баланс мощностей на примере такого случая регулирования, когда стабилизация напряжения 11„происходит при одновременном изменении напряжений Ц„' и Ц'„', амплитуды которых остаются равными между собой. При последовательном соединении вторичных обмоток выходных трансформаторов через них протекает общий ток нагрузки 1, который будем считать активно-индуктивным, т. е. отстающим от вектора Е~ на угол 1р„. Если напряжение У„' опережает этот ток на угол 162 Ч'=1р /2+~р„, а напряжение (1'„' отстает на угол 'Р"=1р /2 — <р„, то инвертор И, работает в режиме с общим индуктивным характером нагрузки (ток отстает от напряжения), а инвертор Из — в режиме с общим емкостным характером нагрузки (ток опережает напряжение).
Выделив на векторной диаграмме активную 1, и реактивную 1 составляющие тока нагрузки 1, видим, что каждая из этих составляющих сдвинута относительно векторов (7'„и (1'„' на угол, отличный от нуля и л/2. Следовательно, взятые в отдельности индуктивная и активная составляю1цие результирующей нагрузки являются смешанными нагрузками для каждого нз инверторов. Поэтому баланс мощностей в системе можно выразить следующими соотношениями: для инвертора И, Р', = Р'„, + Р„'р — — 0,5Р, 1 — 1я гр„гя — я г/* Д',=Д'„,,+О'„,,=0,5Р, 1й р„+гбао 21" для инвертора Из (3.70) Р„''= Р', + Р„'',, = 0,5Р„1+ 1й гр„гя — ' г1' 0", = Д'„, + Д'„' я — — 0,5Р, 1я 1р„— гя — ~~, 21' Ос — Я.,у — 0,5Р. 1а~р.+1а — ' 1В 0-' 0,5Р„1+ 1я ~р„1я — ' (3.71) 163 здесь мощности с индексом «а» обусловлены активной составляющей нагрузки, а с индексом «р» — реактивной.
Из (3.713) следует, что при угле ~р„=О активная и реактивная составляющие мощности нагрузки делятся между инверторами И, и И, поровну. С ростом <р инвертор И, (выходное напряжение которого опережает ток нагрузки) разгружается по активной мощности Р'„, но получает дополнительную загрузку по реактивной мощности (1'„. В то же время для инвертора И, (выходное напряжение которого отстает от тока нагрузки) увеличение д вызывает обратное действие. Соотношения (3.70) справедливы и для инверторов тока.
В частности, если геометрическое-суммирование осуществляется для параллельных инверторов тока, имеющих компенсирующее устройство реактивной мощности, то для каждого из них, учитывая (3.70), можно записать где знак плюс соответствует инвертору, работающему с опережающим углом Ч", а знак минус — с.отстающим углом Ч'", Поддержание угла 13 в каждом инверторе на требуемом уровне при изменении баланса мощностей, вызванном регулированием угла <р„производится компенсирующим устройством путем изменения его мощности Д„,. Использование метода геометрического сложения выходных напряжений инверторов в целях регулирования напряжения на нагрузке в ряде случаев оказывается наиболее целесообразным, особенно в многофазных схемах. В частности, этот метод может быть успешно применен для многофазных преобразователей с улучшенной формой кривой выходного напряжения (с более низким содержанием высших гармоник).
З.В. СПОСОБЫ УЛУЧШЕНИЯ ФОРМЫ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ИНВЕРТОРОВ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ З.ЕЛ. ВЛИЯНИЕ НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТИ НАПРЯЖЕНИЯ НА ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Выходное напряжение инвертора в общем случае имеет несинусоидальную форму, Степень несинусондальности напряжения характеризуется коэффициентом гармоник ио напряжению )г,«, определяемым как отношение корня квадратного из суммы квадратов амплитуд напряжений высших гармоник к амплитуде напряжения первой гармоники.
В некоторых случаях несинусоидальность напряжения оценивается коэффициентом искажения к„, определяемым как отношение действующего значения первой (основной) гармоники к действующему значению всего напряжения. При дальнейшем изложении для оценки несинусоидальности напряжения будем использовать коэффициент )г.и. Основными потребителями электроэнергии, критичными к форме выходного напряжения автономных ннверторов, являются аппаратура связи и других радиотехнических средств, телеметрические системы, системы контроля и управления различными технологическими процессами и электронно-вычислительные комплексы.
Несинусоидальность напряжения, питающего такого рода аппаратуру, приводит прежде всего к появлению помех и сбоев в работе отдельных элементов, обладающих повышенной чувствительностью к высокочастотным сигналам. В частности, приемные и передающие устройства могут оказаться неработоспособными при высоком уровне высших гармоник питающего напряжения из-за сильных искажений рабочих сигналов, со- 164 провождаюшнхся высоким уровнем помех. В телемегри аппа ат е р ческои р туре это приводит к появлению ложной информации на соответствующих «поднесущнх» частотах, девиация (отклонение) которых не должна превышать установленных стандартами значений.
Питание несинусоидальным напряжением приводит к дополнительным потерям энергии в трансформаторах, конденсаторах, кабелях и т. д. Так, несинусондальное напряжение на конденсак торе вызывает дополнительные потери, которые приво я необходимости завышать установленную мощность конденсаторов, увеличивая прн этом массу и габариты аппаратуры. Несинусоидальность напряжения в трансформаторах вызывает дополнительные потери в обмотках и в стали маг п ово а. р да.
Дополнительные потери энергии в электрооборудовании одновременно сокращают срок службы изоляции н аппаратуры в целом. В системы управления часто входят различного рода электродвигатели, выполняющие функции исполнительных механизмов и следящих элементов. К ним могут предъявляться особые требования в части постоянства частоты вращения, вращающего момента и т. д. Питание таких двигателей несинусондальным напряжением приводит не только к дополнительным потерям энергии, но и к ухудшению их рабочих характеристик, Например, в асинхронном двигателе высшие гармоники прямой последовательности создают полезный момент, обратной последовательности — -тормозной момент, , а ну= левой последовательности †пульсирующ поле. Результи ю ий м щ " омент на валу двигателя определяется как сумма — тирумоментрв от отдельных гармоник. Моменты, развиваемые высшиМИ гармониками, незначительны, но в то же время онн ухудшают параметры двигателя за счет дополнительных потерь.
л Определяющей в ухудшении характеристик двигателя вяется третья гармоника. Обычно при питании асинхронных ядвигателей достаточно компенсировать третью гармонику в питающем напряжении. Тогда ухудшение рабочих характеристик двигателя становится незначительным. Например, сох д ухуо ;р ухудшается на 2 — 3/о, КПД вЂ” на 1,5%, а ток двигателя возрастает на 3%. В то же время уменьшение коэффициента искажения формы кривой до 5% связано с определенными трудностями. Однако в некоторых случаях необходима компенсация и более высоких гармоник. В связи с отрицательным влиянием высших гармоник на работу электрооборудования содержание их обычно регламентируется.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
